作者：付增輝1,2，侯曉青1,3（1.河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司；2.交通運(yùn)輸部自動(dòng)駕駛技術(shù)交通行業(yè)研發(fā)中心；3.河北省車路云網(wǎng)工程研究中心）

摘要：智慧公路的概念從提出到試點(diǎn)示范到應(yīng)用落地，短短幾年時(shí)間已成為交通運(yùn)輸行業(yè)便民服務(wù)的重要手段之一，作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程，頂層設(shè)計(jì)十分重要，本文從設(shè)計(jì)角度介紹延崇高速河北段智慧公路的試點(diǎn)建設(shè)方案的總體架構(gòu)。

S3801延崇高速河北段作為北京冬奧會(huì)陸路交通保障項(xiàng)目，按照部廳試點(diǎn)建設(shè)要求，建設(shè)內(nèi)容包括基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、路運(yùn)一體化車路協(xié)同和北斗高精度定位綜合應(yīng)用3項(xiàng)試點(diǎn)內(nèi)容。另外，根據(jù)實(shí)際需求增加了基于大數(shù)據(jù)的路網(wǎng)綜合管理和“互聯(lián)網(wǎng)+”綜合服務(wù)的建設(shè)內(nèi)容。本文對(duì)延崇高速河北段智慧公路總體架構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行探討。

一、項(xiàng)目背景

2018年2月28日，交通運(yùn)輸部下發(fā)《交通運(yùn)輸部加快推進(jìn)新一代國(guó)家交通控制網(wǎng)和智慧公路試點(diǎn)》的通知。為推動(dòng)新一代國(guó)家控制網(wǎng)及智慧公路試點(diǎn)有序開展，防止試點(diǎn)同質(zhì)化、碎片化，按照交通運(yùn)輸部的統(tǒng)一部署，北京、河北、吉林、江蘇、浙江、福建、江西、河南、廣東等九個(gè)省份重點(diǎn)開展了六個(gè)試點(diǎn)主題，如下表所示。

新一代國(guó)家控制網(wǎng)及智慧公路試點(diǎn)主題及開展省份

2018年5月，河北省交通運(yùn)輸廳下發(fā)《關(guān)于推進(jìn)全省交通運(yùn)輸“大智移云”發(fā)展的實(shí)施意見》文件，確定由延崇高速承擔(dān)建設(shè)智慧公路試點(diǎn)項(xiàng)目，完成基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、路運(yùn)一體化車路協(xié)同、北斗高精度定位及綜合應(yīng)用試點(diǎn)任務(wù)，并根據(jù)需求在基于大數(shù)據(jù)的路網(wǎng)綜合管理與服務(wù)方面進(jìn)行試點(diǎn)建設(shè)。

延崇高速河北段起點(diǎn)在松山特長(zhǎng)隧道內(nèi)與北京段順接，終點(diǎn)與張承高速公路張家口段相連，通過北京市興延高速，連接至北京西六環(huán)，形成河北省北部與北京市的快速通道，有力促進(jìn)京津冀協(xié)同發(fā)展和扶貧攻堅(jiān)戰(zhàn)略實(shí)施。同時(shí)，其也是2022年北京冬奧會(huì)延慶海坨山賽場(chǎng)與崇禮太子城賽場(chǎng)重要的陸路轉(zhuǎn)場(chǎng)通道。

延崇高速河北段分為主線工程、赤城支線工程和延伸線工程，智慧公路工程在主線實(shí)施。延崇高速主線工程長(zhǎng)81.552km，跨越懷來、赤城、崇禮三縣區(qū)。采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度26m。主線起點(diǎn)至赤城服務(wù)區(qū)段設(shè)計(jì)時(shí)速100km，赤城服務(wù)區(qū)至終點(diǎn)段設(shè)計(jì)時(shí)速80km。橋梁共計(jì)18.5km/38座，其中特大橋10.6km/8座，鋼橋占比48.5%，隧道總計(jì)49.495km/8座，其中特長(zhǎng)隧道5座。延崇高速河北段沿線設(shè)施示意如圖1所示。

圖1 延崇高速河北段沿線設(shè)施示意圖

二、路段特點(diǎn)

延崇高速河北段是典型的高寒山嶺重丘區(qū)高速公路，具有以下特點(diǎn)。

（1）海拔落差大、隧道橋梁多。起終點(diǎn)地面高差達(dá)到1210m，全線橋隧占比達(dá)到56%，金家莊隧道位于螺旋展線上，迂回360度后路線高程提升112m，是目前世界上建成并投入運(yùn)營(yíng)的最長(zhǎng)螺旋隧道。

（2）氣候環(huán)境惡劣，易受雨雪和冰霧影響。崇禮太子城段極限低溫為-32℃，冬季平均最低氣溫-28.3℃，平均日最大溫差19.1℃，年最大溫差將近70℃，易受雨霧和冰雪影響，對(duì)行車安全極為不利。

（3）地勢(shì)起伏大，存在長(zhǎng)下坡路段，運(yùn)營(yíng)安全要求高。路線存在約30km的連續(xù)下坡路段，3處連續(xù)下坡路段縱坡超過3%，韓莊至棋盤梁螺旋展線段縱坡達(dá)到2%～2.6%。橋梁全長(zhǎng)近20km，隧道單洞長(zhǎng)49.495km。

（4）調(diào)頻廣播、無線通信、衛(wèi)星定位條件差。沿線調(diào)頻廣播信號(hào)覆蓋不完整，部分路段無法接收到正常調(diào)頻廣播信號(hào)；移動(dòng)無線通信信號(hào)以3G信號(hào)為主，通信質(zhì)量較差；衛(wèi)星定位信號(hào)較差。

（5）服務(wù)冬奧會(huì)，智能交通要求高。作為2022年冬奧會(huì)賽場(chǎng)間的轉(zhuǎn)場(chǎng)通道，轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)間不超過1h，向全世界展示我國(guó)高速公路的服務(wù)和智能化建設(shè)水平，提供全方位智能化服務(wù)。

三、需求分析

（一）用戶需求

1、公眾

目前，高速公路安全與運(yùn)行效率的態(tài)勢(shì)依然十分嚴(yán)峻。高速公路事故突發(fā)及事故嚴(yán)重性等問題突出，區(qū)域性擁堵、惡劣氣象等阻斷事件頻發(fā)，突發(fā)事件影響的時(shí)空范圍呈網(wǎng)絡(luò)化擴(kuò)散態(tài)勢(shì)。高速和安全是高速公路的兩大特點(diǎn)，二者彼此關(guān)聯(lián)又相互制約。對(duì)公眾而言，道路的暢通度、安全度，信息發(fā)布的及時(shí)性、準(zhǔn)確性以及服務(wù)區(qū)的便利性、舒適性都是他們比較關(guān)心的問題，公眾最需要的是既能安全、便捷、高效地行駛，又能獲得針對(duì)性強(qiáng)、品質(zhì)高的出行服務(wù)。

2、冬奧會(huì)

延崇高速河北段作為北京冬奧會(huì)陸路交通保障項(xiàng)目，需要對(duì)道路的路面情況、車輛情況、人員情況、設(shè)備情況等進(jìn)行綜合監(jiān)控、預(yù)警，確保專用通道安全、暢通；對(duì)冬奧轉(zhuǎn)場(chǎng)車輛要全程定位、全程跟蹤和全程可視化，確保轉(zhuǎn)場(chǎng)車輛安全；對(duì)冬奧保障物資進(jìn)行跟蹤和追溯，保證冬奧物資及時(shí)到位；對(duì)冬奧安保工作，要與河北省、張家口市TOCC對(duì)接，做到應(yīng)急信息共享、通道共享，滿足奧運(yùn)需求，可向奧運(yùn)安保部門提供全線的道路視頻、應(yīng)急事件和救援物資、救援力量等；對(duì)冬奧賽事信息，要支持中英文及時(shí)發(fā)布，確保路段可變信息標(biāo)志、服務(wù)區(qū)內(nèi)的可變信息發(fā)布屏、液晶顯示屏能夠?qū)崟r(shí)提供奧運(yùn)賽場(chǎng)的相關(guān)信息。

3、行業(yè)管理單位

行業(yè)管理單位需要準(zhǔn)確掌握交通運(yùn)輸宏觀信息，進(jìn)行交通行業(yè)運(yùn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)警、綜合交通專題監(jiān)測(cè)與預(yù)警、綜合交通運(yùn)行協(xié)調(diào)與指揮、綜合交通方案決策、綜合交通公眾信息服務(wù)、交通信息資源管理、數(shù)據(jù)交換共享服務(wù)、行業(yè)信息化基礎(chǔ)條件集成、行業(yè)信息資源整合共享等。

4、路段運(yùn)營(yíng)管理單位

路段運(yùn)營(yíng)管理單位肩負(fù)著全線路產(chǎn)路權(quán)維護(hù)、設(shè)備維護(hù)、交通運(yùn)行狀態(tài)及時(shí)獲取、阻斷信息報(bào)送等責(zé)任，需要通過智慧公路建設(shè)，以信息化、智能化的手段輔助其開展日常、應(yīng)急條件下的各項(xiàng)工作；需要依托全路的實(shí)際交通情況輔助管理者決策；需要提供全路范圍的信息服務(wù)，包括實(shí)時(shí)路況信息、環(huán)境信息、交通管控信息、施工信息、重大交通事件、車道速度建議等。

（二）功能需求

1、感知需求

實(shí)時(shí)掌握高速公路的實(shí)際道路運(yùn)行狀況是保證公路運(yùn)營(yíng)管理和應(yīng)急處置決策科學(xué)性和合理性的前提，延崇高速河北段需要掌握高速公路交通運(yùn)行狀況（交通流量、平均速度、擁堵程度等）、突發(fā)事件情況、安全環(huán)境狀況（能見度、積雪、結(jié)冰、路面狀況等），能夠?qū)β肪W(wǎng)交通運(yùn)行狀態(tài)、惡劣天氣進(jìn)行初步分析，對(duì)可能造成的突發(fā)事件進(jìn)行預(yù)警，為公路應(yīng)急處置管理機(jī)構(gòu)提供及時(shí)、有效的報(bào)警信息。

2、傳輸需求

高速公路傳輸網(wǎng)將為信息感知、設(shè)備運(yùn)維、應(yīng)急處置、智能收費(fèi)、車路協(xié)同等業(yè)務(wù)提供通信服務(wù)，確保高速公路前、后端信息對(duì)稱，使得利用信息技術(shù)提高高速行駛安全性、管理效率和應(yīng)急處置響應(yīng)速度成為可能。

3、決策需求

隨著感知體系的建立，將實(shí)時(shí)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，如何對(duì)這些海量、多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、整合、處理，挖掘蘊(yùn)含其中的有用信息，是高速公路管理和運(yùn)營(yíng)部門面臨的普遍問題。因此，迫切需要建立一個(gè)數(shù)據(jù)中心對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、分析和挖掘，開發(fā)一套有效、實(shí)用的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)，形成支持管理決策制定的有用信息，全面提升高速公路運(yùn)營(yíng)管理水平和應(yīng)急處置能力。

4、服務(wù)需求

服務(wù)是智慧公路建設(shè)的最終目的，高速公路服務(wù)水平必須與人民群眾日益提高的生活品質(zhì)相適應(yīng)，利用信息化手段，逐步提高高速公路智能化水平，豐富服務(wù)方式，整合服務(wù)資源，提高個(gè)性化、伴隨式綜合服務(wù)能力，為公眾提供安全、便捷、暢通的出行服務(wù)。

四、建設(shè)目標(biāo)

延崇高速河北段以“智慧設(shè)施、智慧決策、智慧管控和智慧服務(wù)”為手段，以建設(shè)“三示范、三體驗(yàn)、五亮點(diǎn)、三服務(wù)”的智慧公路為目標(biāo)。

三示范：以智慧理念引領(lǐng)“綠色、科技、智慧公路”3項(xiàng)示范工程。

三體驗(yàn)：打造“車路協(xié)同、智能誘導(dǎo)、高精定位”3種出行體驗(yàn)。

五亮點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)5個(gè)“國(guó)內(nèi)第一條”。即第一條支撐奧運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)的智慧化高速公路、第一條實(shí)現(xiàn)全要素物聯(lián)網(wǎng)集群監(jiān)測(cè)的數(shù)字化高速公路、第一條運(yùn)營(yíng)開放路段的車路協(xié)同示范高速公路、第一條基于視覺的隧道智能綜合誘導(dǎo)高速公路、第一條北斗衛(wèi)星信號(hào)和5G信號(hào)全覆蓋的高速公路。

三服務(wù)：服務(wù)于公眾、服務(wù)于冬奧會(huì)、服務(wù)于管理者。

五、總體架構(gòu)

延崇智慧公路總體架構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、安全保證和運(yùn)營(yíng)保障的基礎(chǔ)上，以“三示范、三體驗(yàn)、五亮點(diǎn)、三服務(wù)”為目標(biāo)，構(gòu)建智慧感知層、信息傳輸層、數(shù)據(jù)中心層和應(yīng)用服務(wù)層，如圖2所示。

圖2 延崇智慧公路方案總體架構(gòu)圖

智慧感知層：采集各類數(shù)據(jù)并上傳數(shù)據(jù)中心，包括公路基礎(chǔ)設(shè)施固有靜態(tài)數(shù)據(jù)、外場(chǎng)各類檢測(cè)設(shè)施的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、養(yǎng)護(hù)和路政部門的數(shù)據(jù)、社會(huì)其他行業(yè)共享的實(shí)時(shí)及預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)等。

信息傳輸層：負(fù)責(zé)信息傳輸，包括光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)以及將信息傳遞給用戶的前端系統(tǒng)。沿線建設(shè)20Ge帶寬的PTN分組傳送網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了5G信號(hào)的全線覆蓋（含隧道）。

數(shù)據(jù)中心層：實(shí)現(xiàn)公路靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)、應(yīng)用主題數(shù)據(jù)、異構(gòu)多元數(shù)據(jù)的匯集、清洗、整合、存儲(chǔ)、分析、計(jì)算和利用，以及數(shù)據(jù)中心的軟件支撐平臺(tái)、硬件支撐平臺(tái)、數(shù)據(jù)共享交流平臺(tái)、內(nèi)部處理平臺(tái)和外部對(duì)接平臺(tái)。

應(yīng)用服務(wù)層：通過數(shù)據(jù)中心之上的應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人、車、路、環(huán)境的信息交互和應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)，為管理者、出行者、冬奧會(huì)提供智慧服務(wù)，為奧運(yùn)安保、省TOCC提供對(duì)接服務(wù)，包括高速公路綜合業(yè)務(wù)管理、應(yīng)急處置、智能化輔助決策、高速公路出行信息服務(wù)、冬奧會(huì)安保服務(wù)及其他需求對(duì)接以及省市TOCC對(duì)接等服務(wù)。

六、建設(shè)內(nèi)容

延崇智慧公路試點(diǎn)項(xiàng)目是在常規(guī)機(jī)電工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)，項(xiàng)目完成后，將常規(guī)機(jī)電工程納入到智慧公路系統(tǒng)中統(tǒng)一運(yùn)行。延崇智慧公路建設(shè)內(nèi)容如圖3所示。

圖3 智慧公路試點(diǎn)項(xiàng)目總體結(jié)構(gòu)圖

智慧公路試點(diǎn)項(xiàng)目包括基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、路運(yùn)一體化車路協(xié)同、北斗高精度定位綜合應(yīng)用、基于大數(shù)據(jù)的路網(wǎng)綜合管理和“互聯(lián)網(wǎng)+”路網(wǎng)綜合服務(wù)系統(tǒng)。

（一）基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化

基于3DGIS+BIM技術(shù)建設(shè)數(shù)字延崇，疊加物聯(lián)網(wǎng)集群監(jiān)測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期的充分信息表達(dá)、三維顯示以及協(xié)同作業(yè)，為路段設(shè)施資產(chǎn)動(dòng)態(tài)管理、安全狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、養(yǎng)護(hù)管理智能決策提供支撐。全線建設(shè)3座大橋、3座特大橋和3座特長(zhǎng)隧道典型構(gòu)造物的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以點(diǎn)帶線，運(yùn)用集群監(jiān)測(cè)與大數(shù)據(jù)推理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全線特殊構(gòu)造物健康狀況的監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)警。

（二）路運(yùn)一體化車路協(xié)同

基于路側(cè)智能基站、車載終端等硬件設(shè)施，構(gòu)建車路協(xié)同出行服務(wù)系統(tǒng)和智能交通管控系統(tǒng)，形成管控與信息一體化的新一代智能交通解決方案。在韓莊樞紐互通至太子城互通區(qū)間建設(shè)C-V2X車路協(xié)同系統(tǒng)示范路段，構(gòu)建安全、高效、可預(yù)測(cè)的交通運(yùn)行環(huán)境，滿足車輛駕駛等級(jí)自動(dòng)化分級(jí)不低于4級(jí)的測(cè)試和運(yùn)營(yíng)。車路協(xié)同路段覆蓋互通、橋梁、服務(wù)區(qū)、隧道（含金家莊螺旋隧道）、收費(fèi)站等設(shè)施，重點(diǎn)驗(yàn)證效率類和安全類13項(xiàng)應(yīng)用場(chǎng)景，探索車路協(xié)同在隧道內(nèi)的輔助定位和具體應(yīng)用。

（三）北斗高精度定位綜合應(yīng)用

建設(shè)北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)和隧道北斗導(dǎo)航信號(hào)擴(kuò)展定位系統(tǒng)，一般路段定位精度為亞米級(jí)；隧道內(nèi)北斗衛(wèi)星信號(hào)全覆蓋，一般車輛不丟星，特殊車輛定位精度為5～8m，服務(wù)于“兩客一危一重”等特殊車輛，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)車輛軌跡的連續(xù)，具有普世惠眾效果；構(gòu)建基于北斗的高速公路應(yīng)急救援一體化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)事故情況下車輛人員的迅速定位與救援力量的動(dòng)態(tài)調(diào)度和區(qū)域協(xié)同。隧道北斗導(dǎo)航信號(hào)擴(kuò)展定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 北斗隧道定位信號(hào)擴(kuò)展位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

（四）基于大數(shù)據(jù)的路網(wǎng)綜合管理

大數(shù)據(jù)是智慧公路的靈魂。建設(shè)面向服務(wù)的彈性云數(shù)據(jù)中心，結(jié)合業(yè)務(wù)需求構(gòu)建隨需擴(kuò)展的私有云和隨需租用的公有云，在保證數(shù)據(jù)安全可控的前提下，盡可能利用公有云以降低后期運(yùn)營(yíng)成本；通過數(shù)據(jù)賦能的綜合管理平臺(tái)向公眾、管理者和冬奧會(huì)提供不同應(yīng)用場(chǎng)景的服務(wù)；通過大數(shù)據(jù)展示平臺(tái)，構(gòu)建集監(jiān)控、應(yīng)急、指揮和調(diào)度為一體的視覺體驗(yàn)；利用四維實(shí)景仿真技術(shù)，將道路的靜態(tài)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合，以場(chǎng)景化展示方式構(gòu)建靈活多樣的監(jiān)控模式；綜合運(yùn)用環(huán)境采集與監(jiān)測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)高寒地區(qū)路面結(jié)冰的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與道路保暢；在應(yīng)急狀態(tài)下，通過大數(shù)據(jù)的自學(xué)習(xí)功能，構(gòu)建閉環(huán)管理模式，不斷完善控制方案和應(yīng)急預(yù)案，滿足智慧應(yīng)急的建設(shè)要求。延崇高速混合云架構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成示意如圖5所示，延崇高速“智慧大腦”構(gòu)成示意如圖6所示。

圖5 延崇高速混合云架構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖圖

6 延崇高速“智慧大腦”構(gòu)成示意圖

（五）“互聯(lián)網(wǎng)+”路網(wǎng)綜合服務(wù)

“互聯(lián)網(wǎng)+”路網(wǎng)綜合服務(wù)利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，打破了傳統(tǒng)機(jī)電工程以路段自建信息采集與服務(wù)為主的自用服務(wù)模式，以開放思維，主動(dòng)對(duì)接互聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建了更加廣泛的信息采集渠道和服務(wù)受眾。建設(shè)內(nèi)容主要包括智慧隧道綜合誘導(dǎo)系統(tǒng)、精準(zhǔn)氣象分析預(yù)警及應(yīng)用、迭代升級(jí)的5G創(chuàng)新應(yīng)用，智慧服務(wù)區(qū)和持續(xù)優(yōu)化的公眾、冬奧會(huì)和管理者服務(wù)。延崇高速“三服務(wù)”構(gòu)成示意如圖7所示。

圖7 延崇高速“三服務(wù)”構(gòu)成示意圖

七、結(jié)束語

智慧公路建設(shè)應(yīng)以項(xiàng)目實(shí)際需求為導(dǎo)向、以公眾出行服務(wù)為指引、以道路綠色通行安全為根本、以管理提質(zhì)增效為抓手、以設(shè)施自建自用為基礎(chǔ)、以信息共享互聯(lián)為突破，打破傳統(tǒng)定勢(shì)，擁抱互聯(lián)網(wǎng)+開放思維，構(gòu)建數(shù)據(jù)互通、共融、共享的信息交互、服務(wù)體系。在探索智慧公路建設(shè)的務(wù)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景和商業(yè)閉環(huán)模式實(shí)踐中，切忌貪大求全、貪新求尖，堅(jiān)持求真務(wù)實(shí)、重抓落地、持續(xù)完善，建設(shè)人民滿意的交通運(yùn)輸體系。同時(shí)，還應(yīng)清醒認(rèn)識(shí)到，智慧公路建設(shè)只有起點(diǎn)，沒有終點(diǎn)，“智慧大腦”中的數(shù)據(jù)、算法、模型、預(yù)案、知識(shí)體系等將持續(xù)迭代升級(jí)并日臻完善，逐步接近類腦智能。

（原文刊載于2022年第3期《中國(guó)交通信息化》）